优化超敏感钙离子指示剂来解析参与植物硝态氮诱导钙信号传导机制

Nitrogen is one of macronutrients in plant. The nitrogen availability is the key for increasing crop production. Nitrate is one of the major nitrogen forms. It can be used as a signaling molecule to regulate nitrate responsive gene expression, induces root elongation and leaf development. However, it is still not clear how plants sense nitrate and the molecular mechanisms of nitrate and calcium signaling. In this research proposal, we will optimize an ultra-sensitive calcium indicator for detecting calcium concentration change quantitatively and in different subcellular organelles. Furthermore, we will expand the use of these tools to other model plants. We will use this tool to elucidate the role of putative Ca2+ permeable channels and transporters in response to nitrate. In addition, we will perform traditional genetic screens for identifying mutants involved in regulating nitrate-induced calcium concentration change. This project not only provides new research tools for studying signal transduction in plants, but also can insight into understanding the molecular mechanism of nitrate signaling. Meanwhile, it can provide a theoretical basis for enhancing crop yields via improving nitrogen use efficiency in the future.

氮素是植物所需的重要元素之一，其中植物对氮素的利用率是增加作物产量的关键。硝态氮是主要的氮素形态之一，硝态氮可做为一个信号分子诱导细胞内钙离子浓度的变化从而调控与之相关基因的表达，促进植物根的伸长以及叶片的发育。然而，对于植物感受到硝态氮后其氮信号与钙信号间的调控机制至今还不清楚。在该探讨的课题里，我们将优化先前导入到植物的超灵敏钙指示剂使之能够定量以及可侦测不同亚细胞内的钙离子变化并将其扩展至其它模式植物，为其它物种的基础研究提供新的工具。利用此工具进一步探讨植物对硝态氮的感受，以此来筛选出可能参与硝态氮诱导钙离子浓度变化的钙离子通透性通道和转运蛋白。另外我们还将通过传统遗传学的方法来寻找参与硝态氮诱导钙离子浓度变化的突变株对其分子机制做系统且全面的解析。此研究不但可以为植物的研究提供新的研究工具且可以深入了解硝态氮的信号传导调控机理，同时对未来提高农作物氮利用率进而提高产量提供依据。

钙离子在高等生物的细胞里扮演着重要的信号转导角色。 在钙信号转导里， 细胞接受外界刺激后会诱发钙离子浓度上升。所以细胞受刺激后展示细胞内钙离子浓度变化为最直接证明钙离子参与其信号转导的证据。 在先前的研究里借由导入GCaMP6s超灵敏钙指示剂到植物里， 我们展示植物能感受到硝态氮诱导钙离子浓度变化。在这个探讨的课题里，我们优化先前的GCaMP6s构建Calcium Rationmetric Sensor (CRS)使之能够定量以及可侦测不同亚细胞内的钙离子变化。 利用开发出的CRS展示ABA诱导植物在不同组织与胞器的钙离子浓度的变化。 并且猜测钙离子来源为细胞外。 此外， 我们也发现ABA与钙信号共同参与了根冠细胞发育过程。 借由优化的CRS的工具，进一步展示硝态氮诱导植物在不同组织与胞器的钙离子浓度的变化。 不同于ABA，我们的研究认为硝态氮诱导细胞内钙离子浓度变化来源为细胞内的胞器。 在这个研究计划，我们开发出一个可定量且敏感的钙指示剂，除了在这展示的ABA与硝态氮参与钙信号转导的例子外， 并可为其他讯号以及应用在其它物种的钙信号方面的基础研究提供新的工具。